革命性3D SCAPE顯微鏡背后的哥倫比亞團隊今天宣布了這種高速成像技術(shù)的新版本。在與來自世界各地的科學(xué)家合作下，他們使用SCAPE 2.0揭示了以前看不見的生物細節(jié)-從蠕動蠕蟲內(nèi)部發(fā)射的神經(jīng)元到魚胚跳動的心臟的3D動態(tài)，其分辨率和速度都非常出色。比原始演示快30倍。

SCAPE的這些改進已在《自然方法》上發(fā)表，有望對遺傳學(xué)，心臟病學(xué)和神經(jīng)科學(xué)等廣泛領(lǐng)域產(chǎn)生影響。

為什么更快的3D成像如此有價值?

從動物的細胞相互交流的方式到生物如何運動和改變形狀的過程，驅(qū)動生物的過程是動態(tài)且不斷變化的。成像速度越快，我們看到的過程越多，而3D快速成像使我們可以看到整個生物系統(tǒng)，而不僅僅是一個平面，這比傳統(tǒng)顯微鏡具有明顯優(yōu)勢。”

當Hillman博士的團隊四年前首次引入SCAPE(后置共聚焦對準平面激發(fā))顯微鏡時，他們的方法挑戰(zhàn)了有關(guān)如何高速創(chuàng)建活體組織圖像的假設(shè)。

該論文的第一作者，作者Venkatakaushik Voleti博士說：“大多數(shù)對活體樣品進行成像的顯微鏡都在樣品周圍掃描一小束激光，但是點掃描的方法很慢，只能在很短的時間內(nèi)看到每個光斑。” SCAPE 2.0，是Hillman博士實驗室的博士候選人。“我們的系統(tǒng)使用傾斜或成角度的光來照亮樣品內(nèi)的整個平面，然后將光片掃過樣品以形成3D圖像。”

盡管使用光片對樣品進行成像可以追溯到100年前，但是SCAPE的獨創(chuàng)性在于它可以快速移動光片，并使用單個移動鏡將其反射回固定的相機，從而使閃電快速且出奇的簡單。此外，SCAPE對活體樣品柔和，因為它僅使用點掃描顯微鏡以可比的速度獲取圖像所需的一小部分光。SCAPE通過一個固定的物鏡實現(xiàn)了所有這些目的，與傳統(tǒng)的光片顯微鏡相比，傳統(tǒng)的光片顯微鏡需要由許多透鏡圍繞的復(fù)雜樣品室，從而為各種樣品打開了空間。

希爾曼博士說：“人們常常對SCAPE的緊湊，簡單和易于使用感到驚訝，”希爾曼博士經(jīng)常在自己的汽車后備箱中駕駛SCAPE系統(tǒng)，為研究人員提供動手演示。

Hillman博士的團隊正在努力幫助全世界的科學(xué)家將SCAPE用于他們自己的研究，在美國國家衛(wèi)生研究院(National Institutes of Health BRAIN)的資助下，邀請科學(xué)家加入她在哥倫比亞大學(xué)祖克曼研究所的實驗室，或者幫助他們建立自己的系統(tǒng)。倡議。Hillman博士還與徠卡顯微系統(tǒng)公司合作，該公司已獲得SCAPE許可，目前正在開發(fā)該系統(tǒng)的商業(yè)版本。

Hillman博士將SCAPE 2.0的廣泛興趣歸功于熒光標記技術(shù)的最新重大進展，熒光標記技術(shù)使科學(xué)家能夠使動物體內(nèi)的特定細胞發(fā)出不同的顏色，甚至可以使細胞相互之間發(fā)出信號時閃爍。她還指出，小的，近乎透明的動物(例如秀麗隱桿線蟲，斑馬魚胚胎和果蠅)的影響正在增加，可以在自然行為中觀察到它們，也可以對其進行修改以重現(xiàn)人類疾病。SCAPE 2.0的位置非常合適，可以捕捉這些生命系統(tǒng)中發(fā)生的細胞事件，運動和反應(yīng)的交響曲。

希爾曼博士說：“在我們的新論文中，我們展示了SCAPE 2.0如何跟蹤整個動物爬行時單個神經(jīng)元的放電，從而為我們提供了一個新的窗口，了解神經(jīng)活動如何指導(dǎo)行為。”在哥倫比亞工程公司。

盡管受到神經(jīng)科學(xué)需求的啟發(fā)，Hillman博士指出，許多上述標記方法和動物模型現(xiàn)在正在改變其他研究領(lǐng)域，讓科學(xué)家們探索癌性腫瘤細胞如何相互發(fā)出信號，免疫細胞如何找到其靶標或心臟如何和心血管系統(tǒng)受藥物和疾病的影響。

希爾曼博士說：“看到由BRAIN計劃激發(fā)的技術(shù)對科學(xué)和醫(yī)學(xué)產(chǎn)生了越來越廣泛的影響，真是令人興奮。”

意識到這一機會，希爾曼博士與兒科心臟病專家基馬拉·塔格夫(Kimara Targoff)攜手合作，將SCAPE 2.0用于研究心臟如何發(fā)育。Targoff博士的實驗室使用斑馬魚作為動物模型來破譯可能導(dǎo)致胚胎心臟畸形的基因突變。了解這些突變?nèi)绾螌?dǎo)致疾病可以為患有先天性心臟病的兒童提供治療方法。

Targoff博士說：“對跳動的心臟進行成像的問題在于，它的跳動速度很快，會隨著血液在各種方向上的流動而改變其形狀。” 他是哥倫比亞瓦格洛斯內(nèi)科醫(yī)生與外科醫(yī)生學(xué)院的兒科助理教授，也是該論文的合著者。“使用SCAPE 2.0，我們可以3D實時成像斑馬魚胚胎跳動的心臟，使我們能夠看到在心臟細胞之間發(fā)送的鈣信號如何導(dǎo)致心臟壁收縮，或者紅細胞如何流過心臟的瓣膜搏動利用這些知識，我們可以追蹤最特定地重現(xiàn)心臟自然狀態(tài)的環(huán)境中特定的基因突變?nèi)绾斡绊懻５男呐K發(fā)育。”

追隨單個紅細胞通過跳動的心臟的愿望是推動SCAPE 2.0速度極限的動力。

為了達到前所未有的速度，Hillman博士的團隊與Lambert Instruments密切合作，利用該公司的超快速HiCAM Fluo相機。該相機用于在斑馬魚胚胎跳動的心臟中以每秒18,000幀的速度捕獲圖像。這種新的配置打開了記錄在自由移動的秀麗隱桿線蟲蠕蟲中發(fā)射單個神經(jīng)元的門，從而使動物的整個神經(jīng)系統(tǒng)處于活動狀態(tài)。SCAPE 2.0的其他升級包括提高的光效率，更大的視野和大大提高的空間分辨率。

SCAPE 2.0的改進分辨率還使團隊能夠?qū)κ褂媒M織清除和組織擴張創(chuàng)建的樣本進行成像。這些方法使科學(xué)家可以看到完整樣本內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和連接，從整個老鼠的大腦到腫瘤和人類活組織檢查。盡管這些樣本尚不活躍，但它們很大，并且使用標準顯微鏡進行成像需要很長時間。今天的論文證明了SCAPE 2.0可以打破記錄的速度對這些類型的樣本進行成像。

Hillman博士和她的團隊與來自扎克曼研究所的神經(jīng)科學(xué)家到哥倫比亞火山學(xué)家Einat Lev博士等不斷壯大的合作者一起，正在繼續(xù)開發(fā)和改進SCAPE的用途，他們正在使用SCAPE來對天然氣進行成像火山噴發(fā)時形成氣泡。

希爾曼博士的團隊還正在開發(fā)一種用于醫(yī)療用途的小型SCAPE，以快速區(qū)分患者體內(nèi)的健康細胞和患病細胞，從而為醫(yī)生提供了一種指導(dǎo)如何在手術(shù)室進行復(fù)雜手術(shù)的新方法。

希爾曼博士說：“工具和技術(shù)的局限性常常限制了科學(xué)家認為他們可以研究的東西。”希爾曼博士也是哥倫比亞瓦格洛斯醫(yī)師與外科醫(yī)生學(xué)院放射學(xué)教授。“ SCAPE 2.0開辟了我們可以看到的事物的新視野。我希望我們的新結(jié)果將激勵科學(xué)家思考可以提出哪些新問題以及下一步可以探索哪些新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)途徑。